DE102010043561B4

DE102010043561B4 - Electron source

Info

Publication number: DE102010043561B4
Application number: DE102010043561.9A
Authority: DE
Inventors: Andreas Böhme; Walter Beyerlein; Jens Fürst; Markus Hemmerlein; Jürgen Oelschlegel; Moritz Beckmann; Yuan Cheng; Houman Jafari; Qi Qiu; Frank Sprenger
Original assignee: Nuray Tech Co Ltd; NURAY TECHNOLOGY Co Ltd; Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Nuray Technology Co Ltd Jintan Cn; Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2010-11-08
Filing date: 2010-11-08
Publication date: 2020-03-05
Anticipated expiration: 2030-11-09
Also published as: US9552955B2; US20120286692A1; DE102010043561A1; CN102468102B; CN102468102A

Abstract

Elektronenquelle, mit einer Anzahl Elektronenemissionskathoden (5) und mindestens einer Steuerelektrode (6), gekennzeichnet durch einen zur Regelung des durch die Steuerelektrode (6) fließenden Gatestroms ausgebildeten Gate-Stromregler (14), der Teil eines Regelkreises ist, welcher zudem ein Stellglied und eine Gatestrom-Messeinheit (11) zur Erfassung des Gatestrom umfasst.Electron source, with a number of electron emission cathodes (5) and at least one control electrode (6), characterized by a gate current regulator (14) designed to regulate the gate current flowing through the control electrode (6), which is part of a control circuit, which is also an actuator and comprises a gate current measuring unit (11) for detecting the gate current.

Description

Die Erfindung betrifft eine insbesondere zur Verwendung in einer Röntgenröhre geeignete Elektronenquelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Elektronenquelle.The invention relates to an electron source which is particularly suitable for use in an X-ray tube and to a method for operating an electron source.

Elektronenquellen sind dem Fachmann prinzipiell bekannt und werden beispielsweise in Röntgenröhren eingesetzt, wie sie zum Beispiel in der US 3 963 931 A , der DE 36 35 133 A1 und der DE 10 2009 017 649 A1 beschrieben sind.Electron sources are known in principle to the person skilled in the art and are used, for example, in X-ray tubes, as used, for example, in US 3 963 931 A , the DE 36 35 133 A1 and the DE 10 2009 017 649 A1 are described.

Eine in einer Röntgenröhre eines bildgebenden medizintechnischen Gerät verwendbare Elektronenquelle ist beispielsweise aus der DE 10 2007 042 108 B4 bekannt. Diese Elektronenquelle umfasst Elektronenemissionskathoden sowie eine Anzahl Steuerelektroden. Zur Datenübertragung zwischen einer zur Energieversorgung der Elektronenquelle vorgesehenen Hochspannungseinheit und einer Niederspannungseinheit ist hierbei eine elektrisch isolierende, insbesondere optische, Datenübertragungsstrecke vorgesehen.An electron source that can be used in an X-ray tube of an imaging medical device is, for example, from US Pat DE 10 2007 042 108 B4 known. This electron source comprises electron emission cathodes and a number of control electrodes. An electrically isolating, in particular optical, data transmission path is provided for data transmission between a high-voltage unit provided to supply energy to the electron source and a low-voltage unit.

Elektronenquellen in sogenannten Multifokus-Röntgenröhren mit beispielsweise als Gittern aufgebauten Steuerelektroden arbeiten typischerweise mit Feldemittern, wie CNT-Emitter auf Basis von Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT = Carbon Nano Tubes) oder thermische Emitter. Prinzipiell ist eine Elektronenquelle mit Kohlenstoffnanoröhrchen beispielsweise aus der DE 10 2009 003 673 A1 bekannt.Electron sources in so-called multifocus X-ray tubes, for example with control electrodes constructed as grids, typically work with field emitters, such as CNT emitters based on carbon nanotubes (CNT = carbon nano tubes) or thermal emitters. In principle, an electron source with carbon nanotubes is, for example, from the DE 10 2009 003 673 A1 known.

Die Emission von Elektronen wird durch die elektrische Feldstärke an der Oberfläche der Elektronenemissionskathode bestimmt und ist üblicherweise durch eine an eine gitterförmige Steuerelektrode, kurz als Steuergitter bezeichnet, angelegte Spannung einstellbar. Der Zusammenhang zwischen der Spannung und dem erzeugten Elektronenstrom ist durch eine exponentielle Kennlinie beschreibbar. Diese Kennlinie unterliegt während der Lebensdauer einer Elektronenquelle Veränderungen. Solche Veränderungen der Kennlinie haben ihre Ursache beispielsweise in der Schädigung und/oder Alterung der Elektronenemissionskathoden und können prinzipiell durch einen Regler, welcher die Steuerspannung, das heißt die zwischen der in Betrieb befindlichen Elektronenemissionskathoden und dem Steuergitter angelegte Spannung, anpasst, ausgeglichen werden.The emission of electrons is determined by the electric field strength on the surface of the electron emission cathode and can usually be set by a voltage applied to a grid-shaped control electrode, referred to for short as a control grid. The relationship between the voltage and the generated electron current can be described by an exponential characteristic. This characteristic is subject to changes during the life of an electron source. Such changes in the characteristic curve have their cause, for example, in the damage and / or aging of the electron emission cathodes and can in principle be compensated for by a regulator which adjusts the control voltage, that is to say the voltage applied between the electron emission cathode in operation and the control grid.

In einer Röntgenröhre werden die durch die Kathode emittierten Elektronen durch die an die Anode der Röntgenröhre gelegte Hochspannung auf die zur Erzeugung von Röntgenstrahlung erforderliche Energie beschleunigt. Die auf die Anode auftreffenden Elektronen definieren den Röhren- oder Anodenstrom. Dieser ist unter anderem abhängig von der geometrischen Anordnung der einzelnen Komponenten innerhalb der Röntgenröhre, von der Steuerspannung, sowie von zahlreichen weiteren Einflussgrößen, wie der Temperatur von Komponenten der Elektronenquelle, insbesondere der Temperatur der Emitter, der Einschaltdauer der Röntgenröhre, dem Kathodenstrom und dem Vakuum-Niveau innerhalb der Röntgenröhre. Darüber hinaus hat typischerweise der bisherige Betrieb der Röntgenröhre, das heißt deren Vorgeschichte, Einfluss auf den dosisgebenden Röhrenstrom. Insbesondere beeinflusst das verwendete Steuergitter und dessen Betriebszustand den Röhrenstrom.In an X-ray tube, the electrons emitted by the cathode are accelerated to the energy required to generate X-rays by the high voltage applied to the anode of the X-ray tube. The electrons hitting the anode define the tube or anode current. This depends, among other things, on the geometric arrangement of the individual components within the X-ray tube, on the control voltage, and on numerous other influencing variables, such as the temperature of components of the electron source, in particular the temperature of the emitters, the operating time of the X-ray tube, the cathode current and the vacuum -Level inside the x-ray tube. In addition, the previous operation of the x-ray tube, that is to say its history, typically has an influence on the dose-giving tube current. In particular, the control grid used and its operating state influence the tube current.

Generell ergibt sich der die Röntgendosis bestimmende Anodenstrom aus dem Kathodenstrom abzüglich des über die Steuerelektrode abfließenden Stroms. Das Verhältnis von Anodenstrom zu Kathodenstrom ist als Transmissionsrate definiert und beispielsweise mit Hilfe einer Lernprozedur ermittelbar. Die ermittelte Transmissionsrate wird üblicherweise als konstant oder zumindest nur langsam veränderlich angenommen. Zur Bestimmung einer erzeugten Dosis an Röntgenstrahlung ist somit die Messung des Kathodenstroms geeignet. Diese Messung kann beispielsweise über einen Messwiderstand erfolgen. Durch kapazitive Lasten in der in der Ansteuerelektronik der Röntgenröhre implementierten Messanordnung sind jedoch Beschränkungen dieses Messprinzips bei schnellen Schaltvorgängen gegeben.In general, the anode current determining the x-ray dose results from the cathode current minus the current flowing off via the control electrode. The ratio of anode current to cathode current is defined as the transmission rate and can be determined, for example, with the aid of a learning procedure. The determined transmission rate is usually assumed to be constant or at least only slowly changing. The measurement of the cathode current is thus suitable for determining a generated dose of X-radiation. This measurement can take place, for example, via a measuring resistor. Capacitive loads in the measuring arrangement implemented in the control electronics of the x-ray tube, however, impose restrictions on this measuring principle in the case of fast switching processes.

Um ausgehend von der Freisetzung von Elektronen durch die Elektronenemissionskathoden die Dosis an erzeugter Röntgenstrahlung zu bestimmen, sind also insbesondere zwei Zusammenhänge zu berücksichtigen: Erstens die Kennlinie der Elektronenquelle und zweitens die Transmissionsrate der Röntgenröhre.In order to determine the dose of X-rays generated based on the release of electrons by the electron emission cathodes, two relationships have to be taken into account in particular: firstly the characteristic curve of the electron source and secondly the transmission rate of the X-ray tube.

Üblicherweise erfolgt eine Regelung einer Elektronenquelle mittels einer Spannungsregelung, wobei für jede Elektronenemissionskathode die Strom-/Spannungskennlinie mit Hilfe einer Lernprozedur ermittelbar ist. Die den Spannungswerten zugeordneten Stromwerte werden für die einzelnen Elektronenemissionskathoden jeweils in einer Tabelle hinterlegt. Diese Tabellen, welche die Kennlinien der Elektronenemissionskathoden wiedergeben, bleiben unverändert. Alterung oder Driften von Elektronenemissionskathoden sind hierin also ebenso unberücksichtigt wie Änderungen der Transmissionsrate.An electron source is usually regulated by means of a voltage regulation, the current / voltage characteristic curve being able to be determined for each electron emission cathode with the aid of a learning procedure. The current values assigned to the voltage values are stored in a table for the individual electron emission cathodes. These tables, which represent the characteristics of the electron emission cathodes, remain unchanged. Aging or drifting of electron emission cathodes are therefore not taken into account here, as are changes in the transmission rate.

Prinzipiell kann bei ausreichend langen Pulsen, etwa ab 1 ms, die Alterung und das Driften durch eine überlagerte Stromregelung ausgeglichen werden, indem die Sollwertvorgabe für die Spannung nachgeregelt wird. Bei dieser Nachregelung finden jedoch Umladungen statt, welche den Kathodenstrom verfälschen. Besonders bei kleinen Anodenströmen wirken sich kapazitive Ströme in relevanter Weise auf die Messung aus.In principle, with sufficiently long pulses, for example from 1 ms, aging and drifting can be compensated for by a superimposed current control by adjusting the setpoint value for the voltage. With this readjustment, however, recharges take place, which falsify the cathode current. Especially with small ones Anode currents have a relevant effect on the measurement of capacitive currents.

Besonders die kapazitiven Umladeeffekte beschränken die Anwendbarkeit der überlagerten Stromregelung bei kurzen Pulsen. Typischerweise ist aufgrund dieser Umladeeffekte erst nach ca. 40 µs auf der Kathodenseite eine Abschätzung des Anodenstroms möglich. Voraussetzung für eine Nachregelung ist daher eine deutlich längere Pulsdauer. Eine direkte Messung und Regelung des dosisgebenden Anodenstroms, welche statt einer kathodenseitigen Messung und Regelung theoretisch in Frage käme, ist jedenfalls bei Pulsdauern der genannten Größenordnung nach dem Stand der Technik nicht möglich. Üblicherweise erfolgt daher eine Messung des Anodenstroms im Generator auf niedrigem Potential am Generatorfußpunkt, was eine starke Tiefpassfilterung bedingt, um Störgrößen zu vermeiden. Die hierbei gegebenen Zeitkonstanten liegen typischerweise in der Größenordnung von 70 µs, was der Größenordnung einer gewünschten, kurzen Pulsdauer entspricht.The capacitive recharging effects in particular limit the applicability of the superimposed current control for short pulses. Because of these recharging effects, it is typically only possible to estimate the anode current after approx. 40 µs on the cathode side. A prerequisite for readjustment is therefore a significantly longer pulse duration. A direct measurement and control of the dose-giving anode current, which would theoretically be possible instead of a measurement and control on the cathode side, is in any case not possible with pulse durations of the magnitude mentioned according to the prior art. The anode current in the generator is therefore usually measured at a low potential at the generator base, which requires a strong low-pass filtering in order to avoid disturbance variables. The time constants given here are typically of the order of 70 microseconds, which corresponds to the order of a desired, short pulse duration.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders präzise und schnelle Steuerung und Regelung einer gepulst betreibbaren Elektronenquelle, insbesondere bei Pulsdauern unter 1 ms, zu ermöglichen.The object of the invention is to enable a particularly precise and fast control and regulation of an electron source which can be operated in a pulsed manner, in particular for pulse durations of less than 1 ms.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Elektronenquelle gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben einer Elektronenquelle mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Im Folgenden im Zusammenhang mit der Elektronenquelle erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile gelten sinngemäß auch für das Verfahren und umgekehrt.This object is achieved according to the invention by an electron source according to claim 1 and by a method for operating an electron source with the features of claim 7. The embodiments and advantages explained below in connection with the electron source also apply mutatis mutandis to the method and vice versa.

Die Elektronenquelle umfasst in an sich bekannter Weise eine Anzahl Elektronenemissionskathoden und mindestens eine Steuerelektrode und zeichnet sich erfindungsgemäß durch einen zur Regelung des durch die Steuerelektrode fließenden Stroms ausgebildeten Gate-Stromregler aus. Hiermit ist die Möglichkeit gegeben, ohne Verzögerung auf eine Größe, nämlich den Gatestrom, Einfluss zu nehmen, die in einer Röntgenröhre proportional zum dosisgebenden Anodenstrom ist.The electron source comprises, in a manner known per se, a number of electron emission cathodes and at least one control electrode and, according to the invention, is characterized by a gate current regulator designed to regulate the current flowing through the control electrode. This gives the possibility of influencing without delay a variable, namely the gate current, which is proportional to the dose-giving anode current in an X-ray tube.

Der Gate-Stromregler ist Teil eines Regelkreises, welcher zudem ein Stellglied und eine Gatestromerfassung umfasst und eine sehr schnelle Regelung ermöglicht. Insbesondere wird sehr schnell ein stationärer Zustand erreicht, wodurch die Gatestromregelung für Pulsdauern unter 0,1 ms, beispielsweise Pulsdauern von 70 µs, prädestiniert ist. Ein an einem Shunt-Widerstand auf Gateseite gemessener Strom weist keinen, nach dem Stand der Technik - wie oben beschrieben - unvermeidlichen, kapazitiven Strom auf, stellt also direkt den Gatestrom dar.The gate current regulator is part of a control circuit, which also includes an actuator and a gate current detection and enables very fast regulation. In particular, a steady state is reached very quickly, as a result of which the gate current control is predestined for pulse durations of less than 0.1 ms, for example pulse durations of 70 μs. A current measured at a shunt resistor on the gate side has no capacitive current which is unavoidable according to the prior art - as described above - and thus directly represents the gate current.

Die Messung und Regelung des Gatestroms ermöglicht eine überlagerte Regelung, bei welcher der in einer Röntgenröhre dosisgebende Strom durch Substraktion des Gatestroms vom Kathodenstrom bestimmt wird. Hierbei sind Abweichungen der Transmissionsrate vom gespeicherten Wert gegebenenfalls durch einen überlagerten Regelkreis ausgleichbar. Die überlagerte Regelung kann im Vergleich zur direkten Gatestromregelung relativ langsam erfolgen, da in der Regel nur kleine Abweichungen auftreten und sich die Transmissionsrate nur langsam verändert. Durch Speicherung der Abweichung im eingeschwungenen Zustand und Berücksichtigung dieser Abweichung bereits bei der folgenden Elektronenemission der gepulst betriebenen Kathode wird ein exakter Anodenstrom mit hoher Reproduzierbarkeit erzeugt.The measurement and regulation of the gate current enables a superimposed regulation, in which the current giving dose in an X-ray tube is determined by subtracting the gate current from the cathode current. Deviations in the transmission rate from the stored value can be compensated for by a superimposed control loop. The superimposed control can take place relatively slowly in comparison to the direct gate current control, since generally only small deviations occur and the transmission rate changes only slowly. By storing the deviation in the steady state and taking this deviation into account during the subsequent electron emission of the pulsed cathode, an exact anode current with high reproducibility is generated.

Die Spannung an der Steuerelektrode, das heißt das Gate-Potential, beträgt typischerweise bis zu 5 kV, was - im Vergleich etwa zu einer denkbaren Messung des Anodenstroms - eine relativ einfache und zugleich hoch dynamische Messung des Gatestroms ermöglicht. Prinzipiell kommt für diese Messung ein diskret aufgebauter Trennverstärker in Betracht, wobei jedoch Einschränkungen hinsichtlich der Bandbreite zu berücksichtigen sind.The voltage at the control electrode, that is to say the gate potential, is typically up to 5 kV, which - in comparison with a conceivable measurement of the anode current - enables a relatively simple and at the same time highly dynamic measurement of the gate current. In principle, a discrete isolating amplifier can be used for this measurement, although restrictions with regard to the bandwidth have to be taken into account.

Um eine hohe Bandbreite zu gewährleisten, kann die Messung des Gatestroms beispielsweise mit Hilfe einer Substraktionsschaltung für hohe Spannungen, mit einem hochohmig beschalteten Operationsverstärker, erfolgen.In order to ensure a high bandwidth, the gate current can be measured, for example, with the aid of a subtraction circuit for high voltages, with a high-impedance operational amplifier.

Eine weitere Möglichkeit der Messung des Gatestroms sieht eine Messeinheit mit gepaarten Optokopplern, nämlich einem Messkoppler und einem Referenzkoppler, vor.Another possibility for measuring the gate current is provided by a measuring unit with paired optocouplers, namely a measuring coupler and a reference coupler.

Ferner ist eine Messung des Gatestroms realisierbar, welche mittels eines Shunts, eines schnellen Analog-Digital-Wandlers, einer Hilfsspannungsversorgung auf Gatepotential, und einer Übertragung der digitalen Signale über Lichtwellenleiter oder Optokoppler erfolgt.Furthermore, a measurement of the gate current can be implemented, which is carried out by means of a shunt, a fast analog-to-digital converter, an auxiliary voltage supply to gate potential, and a transmission of the digital signals via optical fibers or optocouplers.

Bevorzugtes Anwendungsgebiet der Gatestromregelung sind Multi-Kathoden-Röntgenröhren. Elektronenemissionskathoden sind hierbei vorzugsweise als Feldemitter oder thermische Emitter ausgebildet. Die Feldemitter sind vorzugsweise auf Basis von Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) oder auf Basis von Graphene realisiert. Alternativ hierzu sind vorzugsweise sogenannte Dispenserkathoden vorgesehen. Einer Vielzahl von Elektronenemissionskathoden ist in der Regel ein einziges, in geringem Abstand hierzu angebrachtes Steuergitter zugeordnet. Dieses Gitter kann ebenfalls segmentiert sein, wobei die Segmente einzeln ansteuerbar sind.Multi-cathode X-ray tubes are the preferred field of application for gate current control. Electron emission cathodes are preferably designed as field emitters or thermal emitters. The field emitters are preferably based on carbon nanotubes ( CNT ) or realized on the basis of graphene. As an alternative to this, so-called dispenser cathodes are preferably provided. A large number of electron emission cathodes is generally assigned a single control grid which is arranged at a short distance from it. This grid can also be segmented, the segments being individually controllable.

Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass unabhängig von Alterungs- und Drifteffekten in einer Röntgenröhre eine Größe, nämlich der Gatestrom, geregelt wird, die direkt proportional zum dosisgebenden Strom ist, wobei keine kapazitiven Störgrößen auftreten, sodass selbst bei sehr kurzen Pulsen und einer Änderung des Emissionsverhaltens der Elektronenemissionskathoden eine Regelung mit höchster Reproduzierbarkeit gegeben ist. Bei kurzen, in mAs angegebenen Pulsen ist eine exakte mAs-Abschaltung realisierbar.The advantage of the invention is in particular that, regardless of aging and drift effects in a X-ray tube, a variable, namely the gate current, is regulated which is directly proportional to the dose-giving current, with no capacitive disturbance variables, so that even with very short pulses and one Change in the emission behavior of the electron emission cathodes is a regulation with the highest reproducibility. With short pulses specified in mAs, an exact mAs shutdown can be implemented.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen, teilweise schematisiert:

1 Eine Elektronenquelle mit Gatestromregelung,
2 - 4 jeweils eine Variante einer Gate-Strom-Messeinheit für die Elektronenquelle nach 1.

Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to a drawing. Show here, partially schematized:

1 An electron source with gate current control,
2 - 4 a variant of a gate current measuring unit for the electron source 1 ,

In 1 sind als Komponenten eines insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneten Röntgengerätes eine Röntgenröhre 2 sowie eine Ansteuereinheit 3 erkennbar.In 1 are as components of a whole with the reference symbol 1 marked X-ray device an X-ray tube 2 and a control unit 3 recognizable.

Die Röntgenröhre 2 umfasst eine Röhreneinheit 4 prinzipiell bekannten Aufbaus mit einer Mehrzahl an Elektronenemissionskathoden 5, einem Steuergitter 6, allgemein als Steuerelektrode bezeichnet, sowie einer Anode 7. Hinsichtlich der grundsätzlichen Funktion der Röhreneinheit 4, das heißt der eigentlichen Röhre des Röntgengerätes 1, wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik sowie auf die DE 10 2009 011 642 A1 verwiesen.The x-ray tube 2 includes a tube unit 4 principle known structure with a plurality of electron emission cathodes 5 , a control grille 6 , commonly referred to as a control electrode, and an anode 7 , With regard to the basic function of the tube unit 4 , that is the actual tube of the X-ray machine 1 , is based on the prior art cited at the beginning and on the DE 10 2009 011 642 A1 directed.

Die Elektronenemissionskathoden 5 sind als Feldemitter ausgebildet und emittieren Elektronen mittels Feldemission, wobei zwischen die Elektronenemissionskathoden 5 und das Steuergitter 6 mittels einer Gitterspannungsversorgung 8 eine Spannung bis 5 kV gelegt ist. Die die Elektronenemissionskathoden 5, das Steuergitter 6, sowie die Gitterspannungsversorgung 8 umfassende Anordnung wird insgesamt als Elektronenquelle 9 bezeichnet. Die einzelnen Elektronenemissionskathoden 5 oder Gruppen von Elektronenemissionskathoden 5 sind separat ansteuerbar, so dass geometrische Parameter der Elektronenquelle 9 und damit letztlich auch der erzeugten Röntgenstrahlung veränderbar sind, ohne die Anordnung der Elektronenquelle 9, etwa durch deren Verschiebung, zu ändern.The electron emission cathodes 5 are designed as field emitters and emit electrons by means of field emission, being between the electron emission cathodes 5 and the control grille 6 by means of a grid voltage supply 8th a voltage up to 5 kV is applied. The the electron emission cathodes 5 , the control grille 6 , as well as the grid voltage supply 8th comprehensive arrangement is used overall as an electron source 9 designated. The individual electron emission cathodes 5 or groups of electron emission cathodes 5 can be controlled separately, so that geometric parameters of the electron source 9 and thus ultimately the X-ray radiation generated can be changed without the arrangement of the electron source 9 , for example by moving them.

Röntgenstrahlung wird in der Röhreneinheit 4 erzeugt, indem Elektronen, welche von der Elektronenquelle 9 emittiert werden, durch Hochspannung in der Größenordnung von typischerweise 20 kV bis 180 kV, die durch eine Hochspannungsversorgungseinheit 10 erzeugt und zwischen die Elektronenemissionskathoden 5 und die Anode 7 gelegt ist, beschleunigt werden und auf die Anode 7 auftreffen. Der aus den Elektronenemissionskathoden 5 freigesetzte, als Kathodenstrom bezeichnete Elektronenstrom teilt sich in zwei Teilströme auf:X-rays are in the tube unit 4 generated by electrons coming from the electron source 9 be emitted by high voltage in the order of typically 20 kV to 180 kV by a high voltage supply unit 10 generated and between the electron emission cathodes 5 and the anode 7 is placed, accelerated and on the anode 7 hit. The one from the electron emission cathodes 5 released electron current, called cathode current, is divided into two partial currents:

Ein erster Teilstrom, der Gatestrom (IG), fließt über das Steuergitter 6 ab; ein zweiter Teilstrom gelangt zur Anode 7, um dort Röntgenstrahlung zu erzeugen. Der letztgenannte Teilstrom wird als Anodenstrom (IA) bezeichnet. Das Verhältnis von Anodenstrom (IA) zu Kathodenstrom (IK) ist als Transmissionsrate (TR) der Röntgenröhre 2 definiert. Zwischen dem Gatestrom (IG) und dem Anodenstrom (IA) sowie der Transmissionsrate (TR) ist folgender Zusammenhang gegeben: $IG = IA \times (1 - TR) / TR$

A first partial stream, the gate stream ( IG ) flows through the control grille 6 from; a second partial stream reaches the anode 7 to generate x-rays there. The latter partial stream is called the anode stream ( IA ) designated. The ratio of anode current ( IA) to cathode current ( IK ) is the transmission rate ( TR ) of the x-ray tube 2 Are defined. Between the gate stream ( IG ) and the anode current ( IA ) and the transmission rate ( TR ) the following relationship is given:

IG = IA \times (1 - TR) / TR

Zur Messung des Gatestroms ist eine Gatestrom-Messeinheit 11 vorgesehen, die, wie in 1 vereinfacht dargestellt, beispielsweise einen Shunt 12 und einen Operationsverstärker 13 umfasst. Eine Hilfsspannungsversorgung der Gatestrom-Messeinheit 11 kann in die Gitterspannungsversorgung 8 integriert sein. Die Gatestrom-Messeinheit 11 ist Teil eines Regelkreises, welcher weiter einen Gate-Stromregler 14 sowie eine Anzahl Stellglieder 15 umfasst, die jeweils einer Elektronenemissionskathode 5 zugeordnet sind. Dabei wird über die Spannungsdifferenz zwischen Gate (6) und Kathode (5) nach obiger Formel der Gatestrom geregelt.A gate current measuring unit is used to measure the gate current 11 provided that, as in 1 shown in simplified form, for example a shunt 12 and an operational amplifier 13 includes. An auxiliary power supply for the gate current measuring unit 11 can into the grid power supply 8th be integrated. The gate current measuring unit 11 is part of a control loop, which also includes a gate current regulator 14 and a number of actuators 15 comprises, each an electron emission cathode 5 assigned. The voltage difference between gate ( 6 ) and cathode ( 5 ) the gate current is regulated according to the above formula.

Der Gate-Stromregler 14 ist angeschlossen an einen MikroController 16, der unter anderem Sollwerte für Strahlungsparameter verarbeitet, die in einem Speicher 17 abgelegt sind. Ein im Mikrocontroller 16 implementierter Gatestromgeber 18, welcher den nach der oben genannten Formel berechenbaren Nominalwert des Gatestroms vorgibt, wirkt mit einer ebenfalls im Mikrocontroller 16 realisierten Anodenstrom-Nachregelung 19 zusammen, um dem Gate-Stromregler 14 einen Sollwert des Gatestroms (G_soll ) vorzugeben. Der Istwert des Gatestroms ist entsprechend mit G_ist bezeichnet. Der von der Anodenstrom-Nachregelung 19 verarbeitete Istwert IC_ist des Kathodenstroms wird mit Hilfe eines Shunts 20 gemessen und mittels eines Analog-Digital-Wandlers 21 digitalisiert. Ein weiterer, mit der Anodenstrom-Nachregelung 19 zusammenwirkender Analog-Digital-Wandler 22 ist zur Digitalisierung des Istwertes Gist des Gatestroms vorgesehen. Beide Analog-Digital-Wandler 21,22 können in die Anodenstrom-Nachregelung 19 integriert sein. Die Anodenstrom-Nachregelung 19 berücksichtigt insbesondere langfristige, schleichende Änderungen der Transmissionsrate der Röntgenröhre 2.The gate current regulator 14 is connected to a microcontroller 16 which processes, among other things, setpoints for radiation parameters stored in a memory 17 are filed. One in the microcontroller 16 implemented gate current generator 18th , which specifies the nominal value of the gate current that can be calculated according to the above-mentioned formula, also works in the microcontroller 16 realized anode current readjustment 19 together to the gate current regulator 14 a setpoint of the gate current ( G _should ) to specify. The actual value of the gate current is accordingly with G _is designated. The one from the anode current readjustment 19 processed actual value IC _is of the cathode current with the help of a shunt 20th measured and using an analog-digital converter 21 digitized. Another, with the anode current readjustment 19 interacting analog-digital converter 22 is for digitizing the actual value Gist of the gate current provided. Both analog-to-digital converters 21 . 22 can be readjusted in the anode current 19 be integrated. The anode current readjustment 19 takes into account long-term, gradual changes in the transmission rate of the X-ray tube 2 ,

Der Mikrocontroller 16 ermöglicht eine gezielte Auswahl der beispielsweise bis zu mehreren 100 Elektronenemissionskathoden 5 und wirkt hierzu über eine Steuerleitung 23 mit einer Schaltvorrichtung 24 zusammen, welche zwischen den Gate-Stromregler 14 und die Stellglieder 15 geschaltet ist. Jede Elektronenemissionskathode 5 ist über eine Kathodenleitung 25 und eine Vakuumdurchführung 26 mit dem zughörigen Stellglied 15 verbunden. Kathodenseitige parasitäre Kapazitäten sind mit C_par , der entsprechende Strom mit I_Kap bezeichnet. Die Regelung des Gatestroms mittels der Gatestrom-Messeinheit 11, des Gate-Stromreglers 14 und der Stellglieder 15 wird durch die parasitäre Kapazitäten Cpar nicht beeinflusst; der Istwert IG_ist des Gatestroms wird unverfälscht gemessen.The microcontroller 16 enables a targeted selection of, for example, up to several 100 Electron emission cathodes 5 and works for this via a control line 23 with a switching device 24 together which is between the gate current regulator 14 and the actuators 15 is switched. Any electron emission cathode 5 is via a cathode lead 25th and a vacuum feedthrough 26 with the associated actuator 15 connected. Parasitic capacitances on the cathode side are included C _par , the corresponding current with I _chap designated. The control of the gate current by means of the gate current measuring unit 11 , the gate current regulator 14 and the actuators 15 is caused by the parasitic capacitance Cpar unaffected; the actual value IG _is of the gate current is measured unadulterated.

Verschiedene Möglichkeiten, die Gatestrom-Messeinheit 11 für eine präzise, schnelle Messung des Gatestroms auszubilden, sind in den 2 bis 4 dargestellt.Different possibilities, the gate current measuring unit 11 for a precise, fast measurement of the gate current are in the 2 to 4 shown.

Im Ausführungsbeispiel nach 2 umfasst die Gatestrom-Messeinheit 11 eine Substraktionsschaltung 27 für hohe Spannungen, wobei der auch in 1 in vereinfachter Darstellung erkennbare Operationsverstärker 13 hochohmig, unter Verwendung verschiedener Widerstände R1, R2, beschaltet ist. Eine gemessene Spannung U_S ist proportional zum durch den Shunt 12 fließenden Strom I_Shunt .In the embodiment according to 2 includes the gate current measuring unit 11 a subtraction circuit 27 for high voltages, the also in 1 operational amplifiers recognizable in a simplified representation 13 high impedance, using different resistors R1 . R2 is connected. A measured voltage U _S is proportional to the through the shunt 12 flowing current I _shunt ,

Gemäß 3 sind innerhalb der Gatestrom-Messeinheit 11 gepaarte Optokoppler 28,29 vorgesehen, welche als Messkoppler beziehungsweise Referenzkoppler fungieren.According to 3 are within the gate current measurement unit 11 paired optocouplers 28 . 29 provided which act as a measuring coupler or reference coupler.

In der Variante nach 4 erfolgt die Messung des Gatestroms über den Shunt 12, den Operationsverstärker 13, sowie einen diesem nachgeschalteten, schnellen Analog-Digital-Wandler 30, welcher ein Digitalsignal liefert, das mittels eines Optokopplers 31 oder Lichtwellenleiters dem Gate-Stromregler 14 zugeführt wird.In the variant after 4 the gate current is measured via the shunt 12 , the operational amplifier 13 , as well as a fast analog-digital converter connected after this 30th , which delivers a digital signal that by means of an optocoupler 31 or optical fiber to the gate current regulator 14 is fed.

In jeder der 2 bis 4 ist mit dem Bezugszeichen 32 die an das Steuergitter 6 angeschlossene, den direkt geregelten Gatestrom führende Leitung bezeichnet. In allen Fällen ist der Gatestrom und damit, unter Berücksichtigung aller kurz- und langfristiger Einflüsse, auch der Anodenstrom bereits bei einer Pulsdauer von 70 ps präzise regelbar.In each of the 2 to 4 is with the reference symbol 32 to the control grille 6 connected line which carries the directly regulated gate current. In all cases, the gate current and thus, taking into account all short and long-term influences, the anode current is already at a pulse duration of 70 ps precisely adjustable.

BezugszeichenlisteReference list

11: RöntgengerätX-ray machine
22: RöntgenröhreX-ray tube
33: AnsteuereinheitControl unit
44: RöhreneinheitTube unit
55: ElektronenemissionskathodeElectron emission cathode
66: SteuergitterControl grille
77: Anodeanode
88th: GitterspannungsversorgungGrid power supply
99: ElektronenquelleElectron source
1010: HochspannungsversorgungseinheitHigh voltage supply unit
1111: Gatestrom-MesseinheitGate current measuring unit
1212th: ShuntShunt
1313: OperationsverstärkerOperational amplifier
1414: Gate-StromreglerGate current regulator
1515: StellgliedActuator
1616: MikrocontrollerMicrocontroller
1717: SpeicherStorage
1818th: GatestromgeberGate current transmitter
1919: Anodenstrom-NachregelungAnode current readjustment
2020th: ShuntShunt
2121: Analog-Digital-WandlerAnalog-to-digital converter
2222: Analog-Digital-WandlerAnalog-to-digital converter
2323: SteuerleitungControl line
2424: SchaltvorrichtungSwitching device
2525: KathodenleitungCathode lead
2626: VakuumdurchführungVacuum feedthrough
2727: SubstraktionsschaltungSubtraction circuit
2828: OptokopplerOptocoupler
2929: OptokopplerOptocoupler
3030: Analog-Digital-WandlerAnalog-to-digital converter
3131: OptokopplerOptocoupler
3232: Leitungmanagement

Claims

Electron source, with a number of electron emission cathodes (5) and at least one control electrode (6), characterized by a gate current regulator (14) designed to regulate the gate current flowing through the control electrode (6), which is part of a control circuit, which is also an actuator and comprises a gate current measuring unit (11) for detecting the gate current.

Electron source after Claim 1 , characterized in that the gate current measuring unit (11) has a subtraction circuit (27) in the control circuit comprising the gate current regulator (14).

Electron source after Claim 1 , characterized in that the gate current measuring unit (11) has paired optocouplers (28, 29) in the control circuit comprising the gate current regulator (14).

Electron source after Claim 1 , characterized in that the gate current measuring unit (11) in the control circuit comprising the gate current controller (14) has a shunt (12), an analog-digital converter (30) and an optocoupler (31).

Electron source according to one of the Claims 1 to 4 , characterized in that the electron emission cathodes (5) are designed as field emitters or indirectly heated emitters.

Electron source after Claim 5 , characterized in that the electron emission cathodes (5) comprise carbon nanotubes or graphenes or are designed as dispenser cathodes.

Method for operating an electron source (9), having the following features: a number of electron emission cathodes (5) emits electrons, a voltage being applied between the electron emission cathodes (5) and a control electrode (6), - The gate current flowing through the control electrode (6) is regulated with the aid of a gate current regulator (14), the gate current regulator (14) being part of a control circuit which also has an actuator and a gate current measuring unit (11) Detection of the gate current includes.

Procedure according to Claim 7 , characterized in that the electron emission cathodes (5) are operated in a pulsed manner with pulse times of less than 1 ms, in particular with pulse times of less than 0.1 ms.

Procedure according to Claim 7 or 8th , characterized in that for determining the transmission rate of the electron source (9) the gate current flowing through the control electrode (6) is subtracted from the cathode current flowing through the electron emission cathodes (5).

Procedure according to Claim 9 , characterized in that a change in the transmission rate is included in the regulation of the gate current.